[发明专利]一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统

说明书

本发明涉及一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统，用于高速高精度正余弦编码器的转角测量计算，首先采用高速数字化仪对正余弦编码器的高速信号进行采集与处理，应用Kalman滤波算法去噪，得到两路相位差90度的数字信号，在高速流盘存储后，通过工控机处理器的上位机软件进行反正切软件细分，分别经过信号起点相角计算模块、半周期截取和计数模块、信号终点相角计算模块，最后计算出编码器旋转角度的精确值。

【技术领域】

本发明属于信号检测和处理领域，尤其涉及一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统。

【背景技术】

在高精度、高动态性能要求的伺服和精密测控系统中，必须实时和精确地测量转子的位置和转速，正余弦编码器正是将旋转轴的机械几何位移转换为数字量的传感器，为转子的位置和转速测量提供了技术解决方案。

正余弦编码器在机器人、精密机床、检测设备等系统中获得了广泛的应用，随着控制及测量系统性能要求的不断提高，对转轴位置的定位精度和角度测量精度要求也越来越高，则高速信号采集与处理就至关重要。然而单纯的提高编码器的光栅数，既有成本的限制，又有工艺技术等方面的制约，无法满足高精度及实时性的要求，为提高编码器的分辨率和控制精度，降低硬件设计和开发成本，可以通过对编码器信号进行高速采样，再经过软件滤波及细分算法等处理，得到测量对象的高精度角度数据。

在运用矢量控制技术、直接转矩控制技术等电机控制系统中，为了提高伺服系统的实时性和稳定性，逆变器的工作频率往往设置为数千赫兹以上；在高精度角度测量系统中，编码器的转速范围限制了其在较高转速下的测量精度，MHz量级的采样频率使得在硬件上实现信号细分变得困难。因此为了进一步得到高速工况下的高精度角度数据，降低硬件成本和可行性，提出一种高精度角度细分算法，对满足高速运行时的精度和实时性要求尤为重要。

正余弦编码器高速信号的细分方法可分为硬件细分法和软件细分法。硬件细分法通过比较器电路实现细分，存在电路复杂、成本高和灵活性差等缺点；软件细分法一般应用DSP或FPGA处理器，将编码器的正余弦信号进行AD采样转换，受运算速度的影响，只能根据幅值或相位进行查表细分，这种处理器运算速度相对较慢，且脉冲处理能力弱，无法满足高速信号的细分要求。并且，现有正余弦编码器的软件细分算法为了降低运算复杂度，多数采用线性近似或者其他近似方法处理，在一定程度上限制了测控系统应用的精度。

【发明内容】

为了解决上述问题，本发明提出了一种正余弦编码器高速信号采集及细分方法和系统。该系统通过40MS/s高速数字化仪来实现高速信号的采集，采集速度快，效率高，满足了高精度、高动态性能检测控制系统的要求；系统应用Kalman滤波算法去噪，滤波在时域内，且算法递推，每步仅处理一个时刻量测信息，一方面综合利用了时刻以前的全部测量信息，另一方面不会使计算量随时间增长，采用动态方程描述被估计量的动态变化规律，被估计量的动态统计信息由激励白噪声的统计信息和动态方程确定，方便计算机实时处理；系统应用工控机作为处理器，通过工控机的上位机软件，可直接根据算法对正余弦信号细分，无须查表，运算速度和脉冲处理能力较DSP、FPGA更具优势，精确度更高；该软件细分方法主要通过正余弦信号反正切实现，分别经过信号起点相角计算模块、半周期起点截取和计数模块、信号终点相角计算模块等步骤，最后计算出编码器旋转角度的精确值。

本发明的有益效果为：采集速度快，效率高，满足了高精度、高动态性能伺服系统的要求；运算速度和脉冲处理能力较DSP、FPGA更具优势，精确度更高；步骤简便，运算快捷，易于编程和集成，在实际工程应用中更为实用。

【附图说明】

此处所说明的附图是用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，但并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明方法及系统的原理框图。

图2是高速数字化仪采集的正余弦信号图。

图3是Kalman滤波算法去噪后的正余弦信号图。